#3. Non-Inverting Amplifier (비반전 증폭기)

Inverting Amplifier (반전 증폭기) 다음으로 Non-Inverting Amplifier (비반전 증폭기)에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

R1과 R2에 흐르는 전류는 동일하다는 수식을 세우면 Non-Inverting Amplifier (비반전 증폭기)의 이득은 1+R2/R1이 됩니다. 이 역시 R1과 R2에 흐르는 전류가 동일하다는 OPAMP의 기본 원리를 적용하여 수식을 세울 수 있습니다. 수식은 매우 간단하기 때문에 여기서 다루지는 않겠습니다. 다시 상세 그림으로 그려보면 아래와 같습니다.

 

 

R1으로 흐르는 전류 I1은 OPAMP의 입력 임피던스(Rin)가 무한대이므로 모두 R2로 흐릅니다. Iin1과 Iin2에 흐르는 전류는 0이기 때문에 Vin1과 Vin2의 전위차이는 발생하지 않으므로 Vin1=Vin2가 됩니다. 즉, Vin2=0이므로 Vin1도 0으로 따라가고, 아주 간단하게 Vout/Vin=1+R2/R1이라는 결과가 도출됩니다.

 

#2. Inverting Amplifier에서도 설명했듯이 만약 이상적인 OPAMP가 아니라면 입력 임피던스(Rin)는 무한대가 아닌 매우 큰 값을 가질 것이고, 아주 약간의 전류가 Rin으로 흐르게 됩니다. 그러면 Vin1과 Vin2 역시 아주 약간의 전위차이가 발생합니다. 따라서 이득은 1+R2/R1보다 크기가 줄어듭니다. R1으로 흐르는 전류 I1이 R2로 흐르는 전류(I2)와 입력 임피던스 Rin으로 흐르는 전류(Iin1)의 합과 동일하다는 방정식을 세우면 역시 1+R2/R1보다 크기가 줄어든 수식을 확인할 수 있습니다. 수식을 풀어보는 것도 의미가 있지만 결과가 조금 복잡하므로 외우기 보다는 OPAMP의 이득은 1+R2/R1 보다 크기가 약간 작은 값을 가지는구나 라고 알고 있으면 됩니다.

 

근데 만약 아래 [그림. 1]의 V1=0V를 [그림. 2]와 같이 1V로 바꾸면 이득과 출력 전압(Vout)은 어떻게 될까요?

 

 

앞서 [그림. 1] Non-Inverting Amplifier (비반전 증폭기)의 이득은 가상 접지 개념을 이용하여 구하였습니다. [그림. 2] 역시 가상 접지와 중첩의 원리를 이용하여 이득을 구할 수 있습니다. [그림. 2]의 Vout/V2을 구하기 위해 중첩의 원리를 이용하면 V1=0V가 됩니다(V2외 전압원은 Short, 전류원은 Open). 따라서, [그림. 1]과 동일한 형태가 되므로 Vout/V2=1+R2/R1이 됩니다. 하지만, Vout=V2(1+R2/R1)이라고 할 수는 없습니다. V1=1V에 의해 Vout에 또 다른 전압이 생성되기 때문이죠. V1의 입장에서 보면 Non-Inverting Amplifier (비반전 증폭기)가 아닌 Inverting Amplifier (반전 증폭기)가 되고, 중첩의 원리에 의해 V2=0V가 됩니다. 따라서 Inverting Amplifier의 이득 수식에 의해 Vout/V1=-R2/R1이 되고, Vout은 앞서 구한 V2(1+R2/R1)과 -V1(R2/R1)의 합이 됩니다. 즉, Vout=V2(1+R2/R1)-V1(R2/R1)인 셈이죠. #1. OPAMP에서도 말씀드렸지만 Inverting Amplifier (반전 증폭기)와 Non Inverting Amplifier (비반전 증폭기)가 동일한 형태라는 사실을 알면 이와같은 응용이 쉽게 가능해집니다. 이처럼 V2를 AC Source로 V1을 DC Source로 설정하여 원하는 출력레벨을 가진 증폭기를 설계할 수 있습니다.

 

그러면 V2를 Pulse 신호로 V1을 DC로 임의의 값을 설정하여 예를 들어보겠습니다.

 

 

위와 같이 R1=1k ohm, R2=4k ohm으로 이득을 설정하였습니다. Vout/V1일 경우 이득은 -4배가 될 것이고, Vout/V2일 경우 이득은 5배가 되겠죠. 입력신호 V2는 펄스 신호이므로 0~t1=0V, t1~t2=1V, t2~=0V 입니다. 그리고 V1=1V DC 전압으로 설정합니다. 그러면 Vout=V2(1+R2/R1)-V1(R2/R1)을 이용하여 구간 별로 출력 전압(Vout)을 계산해 봅니다.

 

0  ~ t1: Vout=0(1+4k/1k)-1(4k/1k)=-4V

t1 ~ t2: Vout=1(1+4k/1k)-1(4k/1k)=+1V

t2 ~ t3: Vout=0(1+4k/1k)-1(4k/1k)=-4V​

 

즉, [그림.3]의 출력 전압(Vout)과 같은 그림이 그려집니다. V1을 0V로 입력하여 사용하는 것이 보통이지만 ADC Driving을 포함한 몇가지 이유로 위와 같이 출력 DC 레벨을 조절해야 하는 경우가 꽤 많이 생깁니다. 물론 V1을 DC가 아닌 AC Source로 설정해도 됩니다. 그렇게 사용할 경우 이 증폭기는 Inverting Amplifier (반전 증폭기)가 아닌 Differential to Single Amplifier가 됩니다. Non-Inverting Amplifier (비반전 증폭기)에 대해서는 여기까지 마무리 하도록 하겠습니다